Kraftfahrzeug-Motoren: Auslegung und Konstruktion
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| Format: | Book |
|---|---|
| Language: | German |
| Published: |
Würzburg
Vogel
2006
|
| Edition: | 4., völlig neu bearb. und erw. Aufl. |
| Series: | Vogel-Fachbuch
|
| Subjects: | |
| Online Access: | Beschreibung für Leser Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Frühere Aufl. im Verl. Technik, Berlin, erschienen |
| Physical Description: | 1680 S. zahlr. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3834330000 9783834330000 |
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Inhaltsverzeichnis
Vorwort 5
1 Generelle Trends der Motoren und Fahrzeugentwicklung (Voi.kmar Küntscher) 19
1.1 Von der Erfindung des Automobils bis zu seiner Massenverbreitung 19
1.2 Automobil und Massenmotorisierung 22
1.3 Das Automobil in seiner aktuellen Entwicklungsphase 24
1.4 Erfüllung der Kundenanforderungen bei der Produktentwicklung 25
1.5 Produkt und Fertigungsprozessentwicklung 26
1.6 Erzeugnis, Kosten und Qualität 29
1.7 Moderne Motoren und Antriebsentwicklung 33
1.8 Natürliche Ressourcen und Recycling 37
2 Grundlagen (Horst Schädlich) 39
2.1 Begriffe und Einteilung 39
2.2 Hauptabmessungen 51
2.2.1 Zylindergeometrie 51
2.2.2 Schnellläufigkeit 55
2.2.3 Arbeitsfähigkeit 62
2.2.4 Leistungsfähigkeit 79
2.3 Auslegungsbeispiele 81
2.3.1 Beispiel 1: Pkw Motor 82
2.3.2 Beispiel 2: Nkw Motor 87
2.4 Verdichtungsverhältnis 88
2.5 Pleuelstangenverhältnis 90
2.6 Kraftstoff und Luftverbrauch 91
2.7 Motormasse und Einbaumaße 94
2.8 Leistungsangaben und Bezugszustand 98
2.9 Kennlinien und Kennfelder 103
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 109
3 Thermodynamik der Verbrennungsmotoren (Steffen Zwahr) 113
3.1 Einleitung 113
3.2 Vereinbarungen und thermodynamische Grundlagen 116
3.3 Praktische Grenzen der Kreisprozesse und Grenzprozesse 124
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300005360004
8 Inhaltsverzeichnis
3.4 Auswirkungen der Anordnung der Wärmezufuhr 134
3.4.1 Konstantes Verdichtungsverhältnis 134
3.4.2 Konstantes Druckverhältnis 141
3.5 Teillastverfahren 143
3.5.1 Qualitätsregulierung 143
3.5.2 Quantitätsregulierung 145
3.5.2.1 Drosselregulierung 146
3.5.2.2 Alternatives Verfahren «Frühes Einlass Schließt» (FES) 153
3.6 Aufladung 158
3.6.1 Abgas Turboaufladung 159
3.6.2 Mechanische Aufladung 166
3.7 Prozess des vollkommenen Motors 169
3.8 Reale Arbeitsprozessrechnung 171
3.8.1 Modellansätze 171
3.8.2 Einzonenmodell 173
3.8.2.1 Berechnungsgrundlagen 173
3.8.2.2 Ausgewählte Ergebnisse der Simulation 179
3.9 Prozessanalyse 186
3.9.1 Indizieren und Analyse des Druckverlaufs 186
3.9.2 Heizverlauf und Brennverlauf 189
3.9.3 Approximation des Brennverlaufs durch eine Vibefunktion 194
3.9.4 Detaillierte Verlustanalyse 195
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 201
4 Gemischbildung und Verbrennung (Volkmar Kuntscher) 205
4.1 Allgemeine Verbrennungstheorie 205
4.1.1 Elementare Formen des Verbrennungsprozesses 205
4.1.2 Einleitung der Verbrennung, Reaktionsgeschwindigkeit, Kettenreaktion 208
4.1.2.1 Selbstzündungsvorgang 209
4.1.2.2 Kettenreaktion 211
4.1.2.3 Flammenfront 212
4.1.2.4 Fremdzündung 215
4.1.2.5 Diffusionsverbrennung 215
4.2 Kraftstoff und chemische Grundlagen der Verbrennungsprozesse 216
4.2.1 Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren 216
4.2.1.1 Aliphatische oder kettenförmige Kohlenwasserstoffe 216
4.2.1.2 Ringförmige Kohlenwasserstoffe 218
4.2.1.3 Organische Sauerstoffverbindungen 220
4.2.1.4 Alternative Kraftstoffe 221
4.2.2 Verbrennung, Mindestluftbedarf, Heizwert 222
4.2.2.1 Verbrennungsreaktionen und Mindestluftbedarf 222
4.2.2.2 Heizwert 226
4.3 Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor 228
4.3.1 Vervollständigung der Dieselverbrennung 228
4.3.2 Brennstoffstrahl 230
4.3.2.1 Strahlausbreitung und Zerstäubung 230
4.3.2.2 Tropfenverdampfung und Einleitung der Zündung 235
4.3.3 Gemischbildungs und Verbrennungsverfahren 237
4.3.3.1 Erforderlicher Verbrennungsablauf 237
4.3.3.2 Beeinflussung des Verbrennungsablaufs 239
4.3.3.3 Brennräume 241
4.3.3.4 Luftbewegung 244
4.3.3.5 Abgaszusammensetzung des Dieselmotors und Maßnahmen
zu ihrer Beeinflussung 255
Inhaltsverzeichnis 9
4.4 Dieseleinspritzanlagen 268
4.4.1 Aufbau und Funktion kantengesteuerter Einspritzanlagen 270
4.4.2 Auslegung kantengesteuerter Einspritzanlagen 274
4.4.3 Beeinflussung von Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge 290
4.4.3.1 Spritzversteller 290
4.4.3.2 Regler 291
4.4.4 Zeitgesteuerte Dieseleinspritzsysteme 297
4.4.4.1 Elektronisch gesteuerte Verteilerpumpen 297
4.4.4.2 Zeitgesteuerte Unit Injector und Unit Pump Systeme 301
4.4.4.3 Common Rail System Speichereinspritzsystem 305
4.4.4.4 Piezo Common Rail System 314
4.5 Gemischbildung und Verbrennung beim Ottomotor 325
4.5.1 Allgemeines 325
4.5.2 Verbrennungsablauf 327
4.5.2.1 Normale und anomale Verbrennung 328
4.5.2.2 Gestaltung klopf und glühzündungsunempfindlicher Brennräume . . . 332
4.5.3 Vergasermotor 338
4.5.3.1 Wirkungsweise des Vergasers und Vergasergrobauslegung 341
4.5.3.2 Vergaserbauarten 347
4.5.4 Saugrohrgestaltung und Gemischverteilung 351
4.5.4.1 Kraftstoffzerstäubung und Verdampfung 351
4.5.4.2 Saugrohrgestaltung 353
4.5.5 Benzineinspritzung 356
4.5.5.1 Art der Kraftstoffeinspritzung 357
4.5.5.2 Mechanische Einspritzanlagen 359
4.5.5.3 Elektronische Motorsteuerungen 360
4.5.5.4 Elektronisch gesteuerte Saugrohr Benzineinspritzanlagen 362
4.5.5.5 Elektronisch gesteuerte Benzin Direkteinspritzanlagen 369
4.5.6 Zündung und Zündanlage (Matthias Thf.in) 382
4.5.6.1 Motorische Anforderungen an die Zündanlage 384
4.5.6.2 Hochspannungserzeugung und Funkenentladung 389
4.5.6.3 Komponenten 412
4.5.6.4 Motormanagementsystem Zündwinkelgütegrad 422
4.5.7 Die Emissionen der Fahrzeuge mit Ottomotor 424
4.5.7.1 Emissionssituation 424
4.5.7.2 Gesetzliche Maßnahmen und internationale Regelungen 425
4.5.7.3 Maßnahmen zur Verringerung der Schadstoffemission 427
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 432
5 Ladungswechsel (Volkmar Küntscher) 439
5.1 Aufgaben 439
5.1.1 Auslassvorgang 442
5.1.2 Ansaugen der Frischladung 442
5.2 Ventilsteuerung 444
5.2.1 Ausführungsbeispiele 444
5.2.2 Bestimmung der Gaswechselquerschnitte 446
5.2.3 Berechnung des Ventilspaltquerschnittes 449
5.2.4 Zeit und Winkelquerschnitt 450
5.2.5 Kinematik 466
5.2.5.1 Kreisbogennocken mit Stößelrolle 469
5.2.5.2 Tangentennocken 473
5.2.5.3 Kreisbogennocken mit Flachstößel 474
5.2.5.4 Ruckarmer Nocken 478
5.2.6 Berechnung 480
10 Inhaltsverzeichnis
5.2.6.1 Massenkräfte 481
5.2.6.2 Ventilfederkraft 483
5.2.6.3 Ventilfedern 486
5.2.6.4 Hertz'sche Pressung zwischen Nocken und Stößel 491
5.2.6.5 Nockenwellendrehmoment 493
5.2.6.6 Dynamische Einflüsse 496
5.2.7 Gestaltung 498
5.2.7.1 Ventile 498
5.2.7.2 Ventilführungen 500
5.2.7.3 Ventilsitzringe 501
5.2.7.4 Ventildrehvorrichtung 501
5.2.7.5 Kipp und Schlepphebel 502
5.2.7.6 Stößel und Stößelstangen 502
5.2.7.7 Automatischer Spielausgleich 503
5.2.7.8 Nockenwellen 504
5.2.8 Nockenwellenantrieb 508
5.3 Instationäre Strömungsvorgänge 520
5.3.1 Mathematische Grundlagen 521
5.3.1.1 Theorie kleiner Druckwellen 522
5.3.1.2 Schwingungstheorie 529
5.3.2 Abstimmung des Ladungswechsels bei Viertaktmotoren 532
5.3.3 Ähnlichkeitsgesetze des Viertaktmotors 534
5.3.4 Variable Saugsysteme 535
5.3.5 Besondere Ladungswechselabstimmungen 541
5.4 Auslegung des Ladungswechsels beim Zweitaktmotor 543
5.4.1 Steuerung des Zweitaktmotors 543
5.4.2 Spülung 546
5.4.3 Abstimmung 550
5.4.3.1 Geometrische Abmessungen der Ladungswechselkanäle 552
5.4.3.2 Vorauslass 554
5.4.3.3 Frischladung und Spülstromgeschwindigkeit 557
5.4.3.4 Ansaugrohrlänge 557
5.4.3.5 Auspuffrohrlänge 560
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 563
6 Aufladung (Steffen Zwahr) 571
6.1 Aufgaben und Anliegen 571
6.2 Stationäre und dynamische Eigenschaften des aufgeladenen Motors 572
6.3 Laderbauarten 579
6.3.1 Lader nach Verdrängerbauart 579
6.3.2 Lader nach Strömungsbauart 585
6.4 Mechanische Aufladung 587
6.4.1 Grundlagen 587
6.4.2 Beispiel zur Laderanpassung 591
6.5 Abgas Turboaufladung 596
6.5.1 Abgas Turbolader 596
6.5.2 Stau und Stoßaufladung 599
6.5.3 Anpassung des Laders Hauptgleichungen
der Abgas Turboaufladung 601
6.5.4 Beispiel zur Laderauswahl 605
6.5.5 Ladedruckregelung 612
6.5.6 Besonderheiten bei Ottomotoren 615
6.6 Ladeluftkühlung 619
6.7 Ausgewählte Sonderverfahren 623
Inhaltsverzeichnis 11
6.7.1 Druckwellenlader 624
6.7.2 Modifikationen der Abgas Turboaufladung 626
6.8 Möglichkeiten zur Verbrauchs und Schadstoffverringerung
an Otto und Dieselmotoren 630
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 633
7 Motorakustik (Wolfgang Foken) 637
7.1 Motorgeräusch und gesetzliche Vorschriften 638
7.2 Akustische Mess und Auswertetechnik 639
7.2.1 Messgrößen des Schallfeldes 639
7.2.2 Auswertung von Schallsignalen 639
7.2.3 Messverfahren und Messräume 641
7.3 Geräuschentstehung, Weiterleitung und Abstrahlung 643
7.3.1 Teilschallquellen und Entstehungsmechanismen 643
7.3.2 Weiterleitung und Abstrahlung 645
7.4 Maßnahmen zur Geräuschreduktion 647
7.4.1 Direkte Schallquellen 647
7.4.2 Indirekte Schallquellen 649
7.5 Berechnungsverfahren zur Simulation 652
7.6 Psychoakustik und Sound Design 654
7.7 Entwicklungstendenzen 657
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 658
8 Kühlung (Mirko Sierakowski) 661
8.1 Strömungstechnische Grundlagen 662
8.1.1 Druckgleichung nach Bernoulli 662
8.1.2 Druckverlust und Strömungswiderstand 663
8.1.3 Strömungswiderstände von geraden Rohrleitungen, Krümmern,
Querschnittsveränderungen und Verzweigungen 666
8.1.4 Kühlmittelstoffwerte 667
8.1.4.1 Wasser 667
8.1.4.2 Kühlmittelgemische 667
8.1.4.3 Luft 671
8.2 Wärmebilanz des Kühlsystems 671
8.2.1 Wärmestrom des Motors 671
8.2.2 Wärmestromverteilung im Kühlkreislauf 674
8.3 Flüssigkeitskühlung 675
8.3.1 Kühlungsarten 675
8.3.1.1 Pumpenumlaufkühlung 675
8.3.1.2 Druckkühlung 677
8.3.1.3 Thermosiphonkühlung 678
8.3.1.4 Verdampfungskühlung 679
8.3.1.5 Kühlung mit unterschiedlichem Temperaturniveau 680
8.3.2 Kühlmittelpumpen 681
8.3.2.1 Aufbau und Arten von Kfz Kühlmittelpumpen 681
8.3.2.2 Kühlmittelseitige Abdichtung der Kühlmittelpumpe 682
8.3.2.3 Auslegung, Berechnung und Kennwerte von Kühlmittelpumpen 684
8.3.2.4 Kavitationsuntersuchungen an Kühlmittelpumpen 688
8.3.2.5 Regelbare Kühlmittelpumpen 690
8.3.3 Flüssigkeitskühler 693
8.3.3.1 Allgemeines 693
8.3.3.2 Rippenrohrkühler 693
8.3.3.3 Lamellenkühler 694
8.3.3.4 Kühlerwerkstoffe 695
12 Inhaltsverzeichnis
8.3.3.5 Spezifische Kühlleistung und Wärmedurchgangszahl 695
8.3.3.6 Kühlluftseitiger Strömungswiderstand 700
8.3.3.7 Kühlmittelseitiger Strömungswiderstand 701
8.3.4 Öl Kühlmittel Wärmetauscher 702
8.3.5 Ermittlung der Volumenstrom und Druckverteilung 704
8.3.5.1 Charakteristik der Kühlkreislauf Strömungswiderstände 704
8.3.5.2 Grundlagen zur Verkettung von Kühlkreislaufwiderständen 706
8.3.5.3 Numerische Ermittlung der Volumenstrom und Druckverteilung . 710
8.3.5.4 Rechentechnische Ermittlung der Volumenstrom
und Druckverteilung 712
8.3.5.5 Grafische Ermittlung der Volumenstrom und Druckverteilung 712
8.3.6 Regelung des Kühlsystems Wärmemanagement 714
8.3.6.1 Allgemeines 714
8.3.6.2 Kühlmittelseitige Regelung 715
8.3.6.3 Luftseitige Kühlsystemregelung 717
8.3.7 Auslegung von Kfz Kühlsystemen 721
8.3.7.1 Allgemeines 721
8.3.7.2 Temperaturen im Kfz Kühlsystem 721
8.3.7.3 Druckverteilung im Kühlkreislauf und Druckaufbau
im Ausgleichbehälter 724
8.3.7.4 Vernetzung und Wärmebilanz des Kühlsystems 727
8.3.7.5 Ermittlung der erforderlichen Volumenströme 727
8.3.7.6 Festlegung der kühlmittelseitigen Strömungswiderstände 727
8.3.7.7 Auswahl der Kühlmittelpumpe 729
8.3.7.8 Kavitationsuntersuchungen an Kühlkreislaufbauteilen 729
8.3.7.9 Simulierter Motorbetrieb 731
8.3.7.10 Prüfstandsuntersuchungen bei Motorbetrieb 732
8.3.7.11 Luftseitige Auslegung von Kühler und Heizungswärmetauscher 733
8.3.7.12 Ermittlung des Kühlluftstroms und der Kühlerabmessung 733
8.3.7.13 Ermittlung der kühlluftseitigen Strömungswiderstände 735
8.3.7.14 Auswahl des Kühllüfters unter Berücksichtigung des Staueinflusses . . . 735
8.3.7.15 Auswahl der Lüfterregeleinrichtung 738
8.3.7.16 Simulierter kühlluftseitiger Motorbetrieb 738
8.3.7.17 Windkanal und Fahrversuche 739
8.4 Luftkühlung 740
8.4.1 Vergleich von Flüssigkeits und Luftkühlung 740
8.4.2 Wärmeübergang von Brenngasen zur Kühlluft 740
8.4.3 Verrippungsprobleme 744
8.4.3.1 Wärmeübergang 744
8.4.3.2 Erwärmung der Kühlluft im Rippenkanal 745
8.4.4 Strömungsverhältnisse 747
8.4.4.1 Strömung der Kühlluft im Rippenkanal 747
8.4.4.2 Einfluss der Kühlluftführung am Zylinder 750
8.4.4.3 Kühlluftwiderstände, Leistungsbedarf, Lüfteranordnung 750
8.4.5 Auswahl des Kühllüfters 752
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 753
9 Filtration (Michael Durst, Gunnar Marcel Klein, Nikolaus Moser) 757
9.1 Einleitung 757
9.2 Grundlagen der Filtration in Kraftfahrzeugen 762
9.2.1 Systematik der mechanischen Trenntechnik 762
9.2.2 Beschreibung von dispersen Partikelsystemen 763
9.2.3 Trenngrad, Fraktionsabscheideggrad und Filterfeinheit 765
9.2.4 Filterstandzeit und Schmutzkapazität 768
Inhaltsverzeichnis 13
9.2.5 Quellen und Beschreibung der abzutrennenden Partikel 768
9.2.6 Abscheidemechanismen 769
9.3 Filtration von Motoransaugluft 776
9.3.1 Aufgaben der Motoransaugluft Filtration 776
9.3.2 Methoden zur Untersuchung von Luftfiltermedien 784
9.3.3 Luftfiltermedien 789
9.3.4 Auslegungskriterien für Luftfilterelemente 794
9.3.5 Luftfilterbauformen 797
9.4 Abscheidung von Öltröpfchen aus Blow by Gasen 806
9.4.1 Aufgaben der Kurbelgehäuseentlüftung 807
9.4.2 Abscheideverfahren und ausgeführte Beispiele 808
9.5 Filtration von Motorenöl 812
9.5.1 Aufgaben der Ölfiltration und Einfluss auf den Verschleiß 812
9.5.2 Filtermedien zur Schmierölfiltration Filterfeinheit
und chemische Beständigkeit 817
9.5.3 Hauptstromölfiltration 825
9.5.4 Nebenstromölfiltration 828
9.5.5 Ölfiltermodule 831
9.6 Filtration von Kraftstoff 834
9.6.1 Aufgaben der Kraftstofffiltration Schutz des Einspritzsystems 834
9.6.2 Prüfverfahren und Spezifikationen für Kraftstofffilter 841
9.6.3 Filtermedien und Filterelemente 854
9.6.4 Kraftstofffilter und Kraftstofffiltermodule Übersicht und Bauformen 861
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 868
10 Kurbeltrieb (Werner Hoffmann) 871
10.1 Beschreibung der Bewegungsvorgänge 872
10.2 Kräfte und Kraftwirkungen im Kurbeltrieb 881
10.2.1 Kräfte am Kolben 883
10.2.2 Kräfte und Kraftwirkungen der Pleuelstange 888
10.2.3 Kräfte am Kolbenbolzen 903
10.2.4 Kräfte und Kraftwirkungen am Kurbelzapfen 908
10.2.5 Kräfte an den Wellenzapfen (Grundlagerkräfte) 915
10.3 Massenkräfte und Massenkraftwirkungen am Motor 919
10.3.1 Massenkräfte beim Einzylindermotor 919
10.3.2 Bewertung des natürlichen Massenausgleichs bei Mehrzylindermotoren 930
10.4 Belastungen und Beanspruchungen der Kurbelwelle 945
10.5 Ungleichförmigkeitsgrad und Schwungrad 953
10.6 Schwingungsvorgänge 960
10.6.1 Grundlagen 962
10.6.2 Drehschwingungsprobleme 977
10.6.2.1 Drehschwingungsersatzsystem 978
10.6.2.2 Eigenfrequenzen und Eigenschwingformen 992
10.6.2.3 Erregende Kräfte 999
10.6.2.4 Resonanzdrehzahlen 1004
10.6.2.5 Resonanzausschläge 1005
10.6.3 Bekämpfung von Drehschwingungen 1016
10.6.3.1 Natürliche Maßnahmen 1016
10.6.3.2 Zusatzeinrichtungen 1019
10.6.3.3 Vermeiden von Drehschwingungen an Motorenprüfständen
und bei Aggregaten 1027
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 1030
14 Inhaltsverzeichnis
11 Triebswerkslagerung und Schmierung von Verbrennungsmotoren (Heinz Gläser) 1043
11.1 Aufgabe und Wirkungsweise von Lagerungen 1043
11.2 Arten der Lager im Verbrennungsmotor und ihre Belastung 1046
11.3 Hydrodynamische Berechnung der Radialgleitlager 1049
11.3.1 Theoretische Grundlagen 1049
11.3.1.1 Begriffsbestimmung 1049
11.3.1.2 Hydrodynamischer Druckaufbau 1049
11.3.2 Berechnung der Wellenverlagerungsbahn 1058
11.3.3 Berechnung der Reibungsleistung 1067
11.3.4 Berechnung der Öldurchsatzmenge 1073
11.3.5 Wärmebilanz 1084
11.3.6 Maximaler Schmierschichtdruck 1087
11.3.7 Umwandlung der raumfesten in körperfeste Koordinaten 1093
11.3.7.1 Grundlager 1093
11.3.7.2 Pleuellager 1094
11.3.7.3 Kolbenbolzenlager 1095
11.3.8 Winkelgeschwindigkeiten der Lager eines Kurbeltriebes 1095
11.4 Auslegung von Verbrennungsmotoren Gleitlagern 1096
11.4.1 Bedeutung und Möglichkeiten der Lagerauslegung 1096
11.4.2 Rechenprogramme zur Auslegung dynamisch beanspruchter
Radialgleiter 1100
11.4.2.1 Einfache und komplexe Rechenprogramme,
EHD und TEHD Berechnung 1100
11.4.2.2 Programminhalt und Leistungsumfang des Rechenprogramms
LAGER95 1103
11.4.3 Einflussgrößen bei der Lagerauslegung 1108
11.4.3.1 Einfluss des Betriebszustandes 1108
11.4.3.2 Einfluss des Schmierstoffes und des relativen Lagerspiels 1113
11.4.3.3 Einfluss von Ölzuführungstemperatur und Ölzuführungsdruck 1115
11.4.3.4 Art und Lage der Ölzuführung 1120
11.4.3.5 Steifigkeit von Welle, Lager und lagerumgebenden Bauteilen 1124
11.4.3.6 Einfluss der Kurbelwellengestaltung (Massenausgleich) 1126
11.4.4 Schlussfolgerungen für die Lagerauslegung aus der Anwendung
von Rechenprogrammen 1128
11.4.5 Konstruktive Gestaltung der Lagerung von Motoren 1130
11.5 Werkstoffe und Konstruktionsgrundsätze für Kfz Motoren Gleitlager 1138
11.5.1 Anforderungen, Eigenschaften und Werkstoffgruppen 1138
11.5.2 Herstellung und Bauformen dünnwandiger einbaufertiger
Lagerschalen und Buchsen 1142
11.5.3 Konstruktive Grundsätze bei der Anwendung
dünnwandiger einbaufertiger Lagerschalen 1151
11.5.3.1 Gehäusebohrung, Lagerspiel, Spreizung, Freiräumung 1151
11.5.3.2 Presssitz der Lagerschalen in der Gehäusebohrung und Lagerspiel¬
veränderung im Betriebsbereich des Motors 1152
11.6 Schmierstoffe für Kraftfahrzeugmotoren 1160
11.6.1 Aufgaben und Klassifikation der Motorenöle 1160
11.6.2 Viskosität von Ölen 1168
11.6.3 Additive 1169
11.6.4 Ölprüfung, Ölwechsel, Ölverbrauch 1171
11.7 Axiallagerung 1173
11.8 Wälzgelagertes Triebwerk 1175
11.9 Schmiersystem 1180
11.9.1 Funktion, Bestandteile und grundsätzliche Wirkungsweise 1180
11.9.2 Schmierstoffbehälter, Ansaugen und Rückführung des Öls 1182
Inhaltsverzeichnis 15
11.9.3 Schmierstoffkühlung 1182
11.9.4 Schmierstoffförderung, Versorgung der Schmierstellen 1183
11.9.5 Zweitaktmotoren Schmierung 1187
11.10 Schäden und Veränderungen an Verbrennungsmotoren Gleitlagern 1188
11.10.1 Schäden und Veränderungen am Lagermetall oder an der Drittschicht 1189
11.10.1.1 Verschleiß 1189
11.10.1.2 Verschmutzung 1194
11.10.1.3 Überhitzung 1195
11.10.1.4 Ermüdung 1196
11.10.1.5 Erosion 1198
11.10.1.6 Kavitation 1198
11.10.1.7 Tribochemische Reaktion, Korrosion 1201
11.10.1.8 Einbaufehler 1203
11.10.1.9 Fehler des Lagerherstellers 1204
11.10.2 Schäden an der Stahlstützschale 1205
11.10.2.1 Reiboxidation am Schalenrücken 1205
11.10.2.2 Stützschalenbruch 1206
11.10.2.3 Stoßflächenbeschädigung 1207
11.10.2.4 Spreizungsverlust 1207
11.10.3 Austausch von Lagern 1207
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 1208
12 Konstruktion von Verbrennungsmotoren und deren Bauteilen (Werner Hoffmann) . 1215
12.1 Zylinderkopf (Werner Hoffmann, Heiko Neukirchner) 1235
12.1.1 Aspekte der funktionell konstruktiven Gestaltung 1235
12.1.2 Werkstoffe 1247
12.1.3 Gießverfahren und Herstellung von Zylinderköpfen 1249
12.1.4 Belastungen und Beanspruchungen bei Zylinderköpfen 1252
12.1.5 Auslegung und Gestaltung der Ladungswechselkanäle 1258
12.2 Zylinder und Kurbelgehäuse (Werner Hoffmann, Heiko Neukirchner) 1277
12.2.1 Grundsätzliche Aufgaben, Funktionen und Anforderungen 1277
12.2.2 Ausführungsformen von Zylinder, Kurbelgehäuse
und Lagerung Kurbelwelle 1282
12.2.3 Einfluss der Kurbelgehäusegestaltung auf Steifigkeit, Belastbarkeit
und Deformationen 1290
12.2.4 Werkstoffe 1297
12.2.5 Gießverfahren, Gestaltungsmerkmale und Besonderheiten
von Zylinderkurbelgehäusen 1299
12.2.6 Ausgewählte konstruktive Details und Lösungen 1302
12.2.7 Entwicklung stark belastbarer massearmer Kurbelgehäuse 1327
12.3 Zylinderkopfdichtung (Werner Hoffmann, Heiko Neukirchner, Pierre Miran,
Dr. Andre Simonneau, Alain Schmitt, Jean Marc Cheriere) 1330
12.3.1 Dichtungskonzepte 1331
12.3.2 Rechnerische Auslegung einer Abdichtung mit Verschraubungen . 1340
12.4 Kolben (Uwe Mohr, Horst Schädlich) 1352
12.4.1 Aufgaben und Anforderungen 1352
12.4.1.1 Einführung und Begriffe 1352
12.4.1.2 Kolbenbelastung 1354
12.4.1.3 Kolbenbeanspruchung 1363
12.4.2 Hauptabmessungen und Gestaltung 1372
12.4.3 Werkstoffe und Herstellung 1380
12.4.3.1 Aluminiumlegierungen 1380
12.4.3.2 Gusseisenlegierungen 1382
12.4.3.3 Stähle 1382
16 Inhaltsverzeichnis
12.4.3.4 Alternative Kolbenwerkstoffe 1382
12.4.4 Kolbenaußenkontur 1382
12.4.5 Kolbenkühlung 1385
12.4.6 Kolbenringe 1388
12.4.6.1 Aufgaben und Anforderungen 1388
12.4.6.2 Funktion 1389
12.4.6.3 Klassifizierung und Ausführungsformen 1391
12.4.6.4 Bewertungskenngrößen 1393
12.4.6.5 Werkstoffe 1400
12.4.6.6 Herstellung 1401
12.4.7 Kolbenbolzen 1402
12.4.7.1 Funktion und Anforderungen 1402
12.4.7.2 Hauptabmessungen und Gestaltung 1403
12.4.7.3 Berechnung 1405
12.4.7.4 Werkstoffe und Herstellung 1413
12.4.8 Kolbenbolzensicherungen 1415
12.5 Pleuel (Werner Hoffmann) 1417
12.5.1 Aspekte der funktionell konstruktiven Gestaltung 1417
12.5.2 Ausgewählte Werkstoffe, Herstellung von Rohteilen
und fertigen Pleueln 1425
12.5.3 Auslegung von Pleuelstangen (Werner Hoffmann, Bernd Hänel) . . . 1429
12.6 Kurbelwelle (Werner Hoffmann) 1452
12.6.1 Aufgaben, Funktion und Anforderungen 1452
12.6.2 Motorspezifische Ausführungsformen 1453
12.6.3 Kurbelwellendesign Entwurf und Hauptabmessungen 1458
12.6.4 Werkstoffe und Herstellung von Kurbelwellen Rohteilen 1460
12.6.5 Bearbeitung von Kurbelwellen Rohteilen zu Fertigteilen 1463
12.6.6 Rechnerischer Dauerfestigkeitsnachweis für Kurbelwellen
(Bernd Hänel, Werner Hoffmann) 1467
12.6.6.1 Belastungen an einer Kurbelkröpfung 1467
12.6.6.2 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem Nennspannungskonzept
für die Hohlkehle zwischen Kurbelzapfen und Kurbelwange 1475
12.6.6.3 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem örtlichen Spannungskonzept
für die Hohlkehle zwischen Kurbelzapfen und Kurbelwange 1484
12.6.6.4 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem Nennspannungskonzept
für die Ölbohrung des Kurbelzapfens 1487
12.6.6.5 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem örtlichen Spannungskonzept
für die Ölbohrung des Kurbelzapfens 1492
12.6.7 Bewertung der Auslegungskonzepte und Ergänzungen zum
Auslegungsbeispiel (Werner Hoffmann) 1495
12.6.8 Experimentelle Dauerfestigkeitserprobung 1500
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 1502
13 Virtuelle Produktentwicklung (Ernst Beutner, Heiko Neukirchner) 1521
13.1 Vorbemerkungen 1521
13.2 Der Produktentwicklungsprozess im Wandel 1521
13.2.1 Von technischen Berechnungen zur virtuellen Bauteilentwicklung . 1521
13.2.2 Vom hardwareorientierten zum simulationsgestützten
Entwicklungsprozess 1522
13.3 Produktbezogene Daten 1524
13.3.1 Datenmodelle 1524
13.3.2 Generierung der Produktmodelle 1526
13.3.2.1 Direkte Geometriemodellierung 1526
13.3.2.2 Reverse Engineering 1529
Inhaltsverzeichnis 17
13.3.3 Datenmanagement 1530
13.3.4 Digital Mock Up (DMU) / Virtual Reality (VR) 1532
13.4 Simulationsgestützte Bauteilentwicklung 1535
13.4.1 Allgemeines 1535
13.4.2 Methoden der Berechnung und Simulation 1535
13.4.2.1 Mehrkörpersysteme (MKS) 1537
13.4.2.2 Finite Elemente Methoden (FEM) 1538
13.4.2.3 Strömungssimulation 1540
13.4.3 Funktionsorientierte simulationsgestützte Bauteilentwicklung 1543
13.4.3.1 Grundmechanik 1543
13.4.3.2 I.adungswechsel, Arbeitsprozess 1550
13.4.3.3 Gemischbildung, Verbrennung, Abgasnachbehandlung 1553
13.4.3.4 Festigkeit, Lebensdauer 1556
13.4.3.5 Akustik 1559
13.4.3.6 Öl /Kühlmittelkreisläufe, Kraftstoffsysteme 1561
13.4.3.7 Motorsimulation 1564
13.4.4 Fertigungsorientierte simulationsgestützte Bauteilentwicklung 1565
13.4.4.1 Toleranzmanagement 1566
13.4.4.2 Gießsimulation 1567
13.4.4.3 Einbau und Montagesimulation 1569
13.5 Rapid Prototyping (RP) 1570
13.6 Wissensmanagement 1571
13.7 Infrastruktur der Informationstechnologie (IT) 1574
Verwendete Abkürzungen 1575
14 Ausblick auf künftige Motorenentwicklungen (Voikmar Küntschkr) 1579
14.1 Generelle Trends in der künftigen Antriebs und Motorenentwicklung 1579
14.2 Brennstoffzellen Fahrzeuge 1582
Verwendete Abkürzungen 1585
Literaturverzeichnis 1586
Stichwortverzeichnis 1635 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 5
1 Generelle Trends der Motoren und Fahrzeugentwicklung (Voi.kmar Küntscher) 19
1.1 Von der Erfindung des Automobils bis zu seiner Massenverbreitung 19
1.2 Automobil und Massenmotorisierung 22
1.3 Das Automobil in seiner aktuellen Entwicklungsphase 24
1.4 Erfüllung der Kundenanforderungen bei der Produktentwicklung 25
1.5 Produkt und Fertigungsprozessentwicklung 26
1.6 Erzeugnis, Kosten und Qualität 29
1.7 Moderne Motoren und Antriebsentwicklung 33
1.8 Natürliche Ressourcen und Recycling 37
2 Grundlagen (Horst Schädlich) 39
2.1 Begriffe und Einteilung 39
2.2 Hauptabmessungen 51
2.2.1 Zylindergeometrie 51
2.2.2 Schnellläufigkeit 55
2.2.3 Arbeitsfähigkeit 62
2.2.4 Leistungsfähigkeit 79
2.3 Auslegungsbeispiele 81
2.3.1 Beispiel 1: Pkw Motor 82
2.3.2 Beispiel 2: Nkw Motor 87
2.4 Verdichtungsverhältnis 88
2.5 Pleuelstangenverhältnis 90
2.6 Kraftstoff und Luftverbrauch 91
2.7 Motormasse und Einbaumaße 94
2.8 Leistungsangaben und Bezugszustand 98
2.9 Kennlinien und Kennfelder 103
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 109
3 Thermodynamik der Verbrennungsmotoren (Steffen Zwahr) 113
3.1 Einleitung 113
3.2 Vereinbarungen und thermodynamische Grundlagen 116
3.3 Praktische Grenzen der Kreisprozesse und Grenzprozesse 124
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8 Inhaltsverzeichnis
3.4 Auswirkungen der Anordnung der Wärmezufuhr 134
3.4.1 Konstantes Verdichtungsverhältnis 134
3.4.2 Konstantes Druckverhältnis 141
3.5 Teillastverfahren 143
3.5.1 Qualitätsregulierung 143
3.5.2 Quantitätsregulierung 145
3.5.2.1 Drosselregulierung 146
3.5.2.2 Alternatives Verfahren «Frühes Einlass Schließt» (FES) 153
3.6 Aufladung 158
3.6.1 Abgas Turboaufladung 159
3.6.2 Mechanische Aufladung 166
3.7 Prozess des vollkommenen Motors 169
3.8 Reale Arbeitsprozessrechnung 171
3.8.1 Modellansätze 171
3.8.2 Einzonenmodell 173
3.8.2.1 Berechnungsgrundlagen 173
3.8.2.2 Ausgewählte Ergebnisse der Simulation 179
3.9 Prozessanalyse 186
3.9.1 Indizieren und Analyse des Druckverlaufs 186
3.9.2 Heizverlauf und Brennverlauf 189
3.9.3 Approximation des Brennverlaufs durch eine Vibefunktion 194
3.9.4 Detaillierte Verlustanalyse 195
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 201
4 Gemischbildung und Verbrennung (Volkmar Kuntscher) 205
4.1 Allgemeine Verbrennungstheorie 205
4.1.1 Elementare Formen des Verbrennungsprozesses 205
4.1.2 Einleitung der Verbrennung, Reaktionsgeschwindigkeit, Kettenreaktion 208
4.1.2.1 Selbstzündungsvorgang 209
4.1.2.2 Kettenreaktion 211
4.1.2.3 Flammenfront 212
4.1.2.4 Fremdzündung 215
4.1.2.5 Diffusionsverbrennung 215
4.2 Kraftstoff und chemische Grundlagen der Verbrennungsprozesse 216
4.2.1 Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren 216
4.2.1.1 Aliphatische oder kettenförmige Kohlenwasserstoffe 216
4.2.1.2 Ringförmige Kohlenwasserstoffe 218
4.2.1.3 Organische Sauerstoffverbindungen 220
4.2.1.4 Alternative Kraftstoffe 221
4.2.2 Verbrennung, Mindestluftbedarf, Heizwert 222
4.2.2.1 Verbrennungsreaktionen und Mindestluftbedarf 222
4.2.2.2 Heizwert 226
4.3 Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor 228
4.3.1 Vervollständigung der Dieselverbrennung 228
4.3.2 Brennstoffstrahl 230
4.3.2.1 Strahlausbreitung und Zerstäubung 230
4.3.2.2 Tropfenverdampfung und Einleitung der Zündung 235
4.3.3 Gemischbildungs und Verbrennungsverfahren 237
4.3.3.1 Erforderlicher Verbrennungsablauf 237
4.3.3.2 Beeinflussung des Verbrennungsablaufs 239
4.3.3.3 Brennräume 241
4.3.3.4 Luftbewegung 244
4.3.3.5 Abgaszusammensetzung des Dieselmotors und Maßnahmen
zu ihrer Beeinflussung 255
Inhaltsverzeichnis 9
4.4 Dieseleinspritzanlagen 268
4.4.1 Aufbau und Funktion kantengesteuerter Einspritzanlagen 270
4.4.2 Auslegung kantengesteuerter Einspritzanlagen 274
4.4.3 Beeinflussung von Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge 290
4.4.3.1 Spritzversteller 290
4.4.3.2 Regler 291
4.4.4 Zeitgesteuerte Dieseleinspritzsysteme 297
4.4.4.1 Elektronisch gesteuerte Verteilerpumpen 297
4.4.4.2 Zeitgesteuerte Unit Injector und Unit Pump Systeme 301
4.4.4.3 Common Rail System Speichereinspritzsystem 305
4.4.4.4 Piezo Common Rail System 314
4.5 Gemischbildung und Verbrennung beim Ottomotor 325
4.5.1 Allgemeines 325
4.5.2 Verbrennungsablauf 327
4.5.2.1 Normale und anomale Verbrennung 328
4.5.2.2 Gestaltung klopf und glühzündungsunempfindlicher Brennräume . . . 332
4.5.3 Vergasermotor 338
4.5.3.1 Wirkungsweise des Vergasers und Vergasergrobauslegung 341
4.5.3.2 Vergaserbauarten 347
4.5.4 Saugrohrgestaltung und Gemischverteilung 351
4.5.4.1 Kraftstoffzerstäubung und Verdampfung 351
4.5.4.2 Saugrohrgestaltung 353
4.5.5 Benzineinspritzung 356
4.5.5.1 Art der Kraftstoffeinspritzung 357
4.5.5.2 Mechanische Einspritzanlagen 359
4.5.5.3 Elektronische Motorsteuerungen 360
4.5.5.4 Elektronisch gesteuerte Saugrohr Benzineinspritzanlagen 362
4.5.5.5 Elektronisch gesteuerte Benzin Direkteinspritzanlagen 369
4.5.6 Zündung und Zündanlage (Matthias Thf.in) 382
4.5.6.1 Motorische Anforderungen an die Zündanlage 384
4.5.6.2 Hochspannungserzeugung und Funkenentladung 389
4.5.6.3 Komponenten 412
4.5.6.4 Motormanagementsystem Zündwinkelgütegrad 422
4.5.7 Die Emissionen der Fahrzeuge mit Ottomotor 424
4.5.7.1 Emissionssituation 424
4.5.7.2 Gesetzliche Maßnahmen und internationale Regelungen 425
4.5.7.3 Maßnahmen zur Verringerung der Schadstoffemission 427
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 432
5 Ladungswechsel (Volkmar Küntscher) 439
5.1 Aufgaben 439
5.1.1 Auslassvorgang 442
5.1.2 Ansaugen der Frischladung 442
5.2 Ventilsteuerung 444
5.2.1 Ausführungsbeispiele 444
5.2.2 Bestimmung der Gaswechselquerschnitte 446
5.2.3 Berechnung des Ventilspaltquerschnittes 449
5.2.4 Zeit und Winkelquerschnitt 450
5.2.5 Kinematik 466
5.2.5.1 Kreisbogennocken mit Stößelrolle 469
5.2.5.2 Tangentennocken 473
5.2.5.3 Kreisbogennocken mit Flachstößel 474
5.2.5.4 Ruckarmer Nocken 478
5.2.6 Berechnung 480
10 Inhaltsverzeichnis
5.2.6.1 Massenkräfte 481
5.2.6.2 Ventilfederkraft 483
5.2.6.3 Ventilfedern 486
5.2.6.4 Hertz'sche Pressung zwischen Nocken und Stößel 491
5.2.6.5 Nockenwellendrehmoment 493
5.2.6.6 Dynamische Einflüsse 496
5.2.7 Gestaltung 498
5.2.7.1 Ventile 498
5.2.7.2 Ventilführungen 500
5.2.7.3 Ventilsitzringe 501
5.2.7.4 Ventildrehvorrichtung 501
5.2.7.5 Kipp und Schlepphebel 502
5.2.7.6 Stößel und Stößelstangen 502
5.2.7.7 Automatischer Spielausgleich 503
5.2.7.8 Nockenwellen 504
5.2.8 Nockenwellenantrieb 508
5.3 Instationäre Strömungsvorgänge 520
5.3.1 Mathematische Grundlagen 521
5.3.1.1 Theorie kleiner Druckwellen 522
5.3.1.2 Schwingungstheorie 529
5.3.2 Abstimmung des Ladungswechsels bei Viertaktmotoren 532
5.3.3 Ähnlichkeitsgesetze des Viertaktmotors 534
5.3.4 Variable Saugsysteme 535
5.3.5 Besondere Ladungswechselabstimmungen 541
5.4 Auslegung des Ladungswechsels beim Zweitaktmotor 543
5.4.1 Steuerung des Zweitaktmotors 543
5.4.2 Spülung 546
5.4.3 Abstimmung 550
5.4.3.1 Geometrische Abmessungen der Ladungswechselkanäle 552
5.4.3.2 Vorauslass 554
5.4.3.3 Frischladung und Spülstromgeschwindigkeit 557
5.4.3.4 Ansaugrohrlänge 557
5.4.3.5 Auspuffrohrlänge 560
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 563
6 Aufladung (Steffen Zwahr) 571
6.1 Aufgaben und Anliegen 571
6.2 Stationäre und dynamische Eigenschaften des aufgeladenen Motors 572
6.3 Laderbauarten 579
6.3.1 Lader nach Verdrängerbauart 579
6.3.2 Lader nach Strömungsbauart 585
6.4 Mechanische Aufladung 587
6.4.1 Grundlagen 587
6.4.2 Beispiel zur Laderanpassung 591
6.5 Abgas Turboaufladung 596
6.5.1 Abgas Turbolader 596
6.5.2 Stau und Stoßaufladung 599
6.5.3 Anpassung des Laders Hauptgleichungen
der Abgas Turboaufladung 601
6.5.4 Beispiel zur Laderauswahl 605
6.5.5 Ladedruckregelung 612
6.5.6 Besonderheiten bei Ottomotoren 615
6.6 Ladeluftkühlung 619
6.7 Ausgewählte Sonderverfahren 623
Inhaltsverzeichnis 11
6.7.1 Druckwellenlader 624
6.7.2 Modifikationen der Abgas Turboaufladung 626
6.8 Möglichkeiten zur Verbrauchs und Schadstoffverringerung
an Otto und Dieselmotoren 630
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 633
7 Motorakustik (Wolfgang Foken) 637
7.1 Motorgeräusch und gesetzliche Vorschriften 638
7.2 Akustische Mess und Auswertetechnik 639
7.2.1 Messgrößen des Schallfeldes 639
7.2.2 Auswertung von Schallsignalen 639
7.2.3 Messverfahren und Messräume 641
7.3 Geräuschentstehung, Weiterleitung und Abstrahlung 643
7.3.1 Teilschallquellen und Entstehungsmechanismen 643
7.3.2 Weiterleitung und Abstrahlung 645
7.4 Maßnahmen zur Geräuschreduktion 647
7.4.1 Direkte Schallquellen 647
7.4.2 Indirekte Schallquellen 649
7.5 Berechnungsverfahren zur Simulation 652
7.6 Psychoakustik und Sound Design 654
7.7 Entwicklungstendenzen 657
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 658
8 Kühlung (Mirko Sierakowski) 661
8.1 Strömungstechnische Grundlagen 662
8.1.1 Druckgleichung nach Bernoulli 662
8.1.2 Druckverlust und Strömungswiderstand 663
8.1.3 Strömungswiderstände von geraden Rohrleitungen, Krümmern,
Querschnittsveränderungen und Verzweigungen 666
8.1.4 Kühlmittelstoffwerte 667
8.1.4.1 Wasser 667
8.1.4.2 Kühlmittelgemische 667
8.1.4.3 Luft 671
8.2 Wärmebilanz des Kühlsystems 671
8.2.1 Wärmestrom des Motors 671
8.2.2 Wärmestromverteilung im Kühlkreislauf 674
8.3 Flüssigkeitskühlung 675
8.3.1 Kühlungsarten 675
8.3.1.1 Pumpenumlaufkühlung 675
8.3.1.2 Druckkühlung 677
8.3.1.3 Thermosiphonkühlung 678
8.3.1.4 Verdampfungskühlung 679
8.3.1.5 Kühlung mit unterschiedlichem Temperaturniveau 680
8.3.2 Kühlmittelpumpen 681
8.3.2.1 Aufbau und Arten von Kfz Kühlmittelpumpen 681
8.3.2.2 Kühlmittelseitige Abdichtung der Kühlmittelpumpe 682
8.3.2.3 Auslegung, Berechnung und Kennwerte von Kühlmittelpumpen 684
8.3.2.4 Kavitationsuntersuchungen an Kühlmittelpumpen 688
8.3.2.5 Regelbare Kühlmittelpumpen 690
8.3.3 Flüssigkeitskühler 693
8.3.3.1 Allgemeines 693
8.3.3.2 Rippenrohrkühler 693
8.3.3.3 Lamellenkühler 694
8.3.3.4 Kühlerwerkstoffe 695
12 Inhaltsverzeichnis
8.3.3.5 Spezifische Kühlleistung und Wärmedurchgangszahl 695
8.3.3.6 Kühlluftseitiger Strömungswiderstand 700
8.3.3.7 Kühlmittelseitiger Strömungswiderstand 701
8.3.4 Öl Kühlmittel Wärmetauscher 702
8.3.5 Ermittlung der Volumenstrom und Druckverteilung 704
8.3.5.1 Charakteristik der Kühlkreislauf Strömungswiderstände 704
8.3.5.2 Grundlagen zur Verkettung von Kühlkreislaufwiderständen 706
8.3.5.3 Numerische Ermittlung der Volumenstrom und Druckverteilung . 710
8.3.5.4 Rechentechnische Ermittlung der Volumenstrom
und Druckverteilung 712
8.3.5.5 Grafische Ermittlung der Volumenstrom und Druckverteilung 712
8.3.6 Regelung des Kühlsystems Wärmemanagement 714
8.3.6.1 Allgemeines 714
8.3.6.2 Kühlmittelseitige Regelung 715
8.3.6.3 Luftseitige Kühlsystemregelung 717
8.3.7 Auslegung von Kfz Kühlsystemen 721
8.3.7.1 Allgemeines 721
8.3.7.2 Temperaturen im Kfz Kühlsystem 721
8.3.7.3 Druckverteilung im Kühlkreislauf und Druckaufbau
im Ausgleichbehälter 724
8.3.7.4 Vernetzung und Wärmebilanz des Kühlsystems 727
8.3.7.5 Ermittlung der erforderlichen Volumenströme 727
8.3.7.6 Festlegung der kühlmittelseitigen Strömungswiderstände 727
8.3.7.7 Auswahl der Kühlmittelpumpe 729
8.3.7.8 Kavitationsuntersuchungen an Kühlkreislaufbauteilen 729
8.3.7.9 Simulierter Motorbetrieb 731
8.3.7.10 Prüfstandsuntersuchungen bei Motorbetrieb 732
8.3.7.11 Luftseitige Auslegung von Kühler und Heizungswärmetauscher 733
8.3.7.12 Ermittlung des Kühlluftstroms und der Kühlerabmessung 733
8.3.7.13 Ermittlung der kühlluftseitigen Strömungswiderstände 735
8.3.7.14 Auswahl des Kühllüfters unter Berücksichtigung des Staueinflusses . . . 735
8.3.7.15 Auswahl der Lüfterregeleinrichtung 738
8.3.7.16 Simulierter kühlluftseitiger Motorbetrieb 738
8.3.7.17 Windkanal und Fahrversuche 739
8.4 Luftkühlung 740
8.4.1 Vergleich von Flüssigkeits und Luftkühlung 740
8.4.2 Wärmeübergang von Brenngasen zur Kühlluft 740
8.4.3 Verrippungsprobleme 744
8.4.3.1 Wärmeübergang 744
8.4.3.2 Erwärmung der Kühlluft im Rippenkanal 745
8.4.4 Strömungsverhältnisse 747
8.4.4.1 Strömung der Kühlluft im Rippenkanal 747
8.4.4.2 Einfluss der Kühlluftführung am Zylinder 750
8.4.4.3 Kühlluftwiderstände, Leistungsbedarf, Lüfteranordnung 750
8.4.5 Auswahl des Kühllüfters 752
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 753
9 Filtration (Michael Durst, Gunnar Marcel Klein, Nikolaus Moser) 757
9.1 Einleitung 757
9.2 Grundlagen der Filtration in Kraftfahrzeugen 762
9.2.1 Systematik der mechanischen Trenntechnik 762
9.2.2 Beschreibung von dispersen Partikelsystemen 763
9.2.3 Trenngrad, Fraktionsabscheideggrad und Filterfeinheit 765
9.2.4 Filterstandzeit und Schmutzkapazität 768
Inhaltsverzeichnis 13
9.2.5 Quellen und Beschreibung der abzutrennenden Partikel 768
9.2.6 Abscheidemechanismen 769
9.3 Filtration von Motoransaugluft 776
9.3.1 Aufgaben der Motoransaugluft Filtration 776
9.3.2 Methoden zur Untersuchung von Luftfiltermedien 784
9.3.3 Luftfiltermedien 789
9.3.4 Auslegungskriterien für Luftfilterelemente 794
9.3.5 Luftfilterbauformen 797
9.4 Abscheidung von Öltröpfchen aus Blow by Gasen 806
9.4.1 Aufgaben der Kurbelgehäuseentlüftung 807
9.4.2 Abscheideverfahren und ausgeführte Beispiele 808
9.5 Filtration von Motorenöl 812
9.5.1 Aufgaben der Ölfiltration und Einfluss auf den Verschleiß 812
9.5.2 Filtermedien zur Schmierölfiltration Filterfeinheit
und chemische Beständigkeit 817
9.5.3 Hauptstromölfiltration 825
9.5.4 Nebenstromölfiltration 828
9.5.5 Ölfiltermodule 831
9.6 Filtration von Kraftstoff 834
9.6.1 Aufgaben der Kraftstofffiltration Schutz des Einspritzsystems 834
9.6.2 Prüfverfahren und Spezifikationen für Kraftstofffilter 841
9.6.3 Filtermedien und Filterelemente 854
9.6.4 Kraftstofffilter und Kraftstofffiltermodule Übersicht und Bauformen 861
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 868
10 Kurbeltrieb (Werner Hoffmann) 871
10.1 Beschreibung der Bewegungsvorgänge 872
10.2 Kräfte und Kraftwirkungen im Kurbeltrieb 881
10.2.1 Kräfte am Kolben 883
10.2.2 Kräfte und Kraftwirkungen der Pleuelstange 888
10.2.3 Kräfte am Kolbenbolzen 903
10.2.4 Kräfte und Kraftwirkungen am Kurbelzapfen 908
10.2.5 Kräfte an den Wellenzapfen (Grundlagerkräfte) 915
10.3 Massenkräfte und Massenkraftwirkungen am Motor 919
10.3.1 Massenkräfte beim Einzylindermotor 919
10.3.2 Bewertung des natürlichen Massenausgleichs bei Mehrzylindermotoren 930
10.4 Belastungen und Beanspruchungen der Kurbelwelle 945
10.5 Ungleichförmigkeitsgrad und Schwungrad 953
10.6 Schwingungsvorgänge 960
10.6.1 Grundlagen 962
10.6.2 Drehschwingungsprobleme 977
10.6.2.1 Drehschwingungsersatzsystem 978
10.6.2.2 Eigenfrequenzen und Eigenschwingformen 992
10.6.2.3 Erregende Kräfte 999
10.6.2.4 Resonanzdrehzahlen 1004
10.6.2.5 Resonanzausschläge 1005
10.6.3 Bekämpfung von Drehschwingungen 1016
10.6.3.1 Natürliche Maßnahmen 1016
10.6.3.2 Zusatzeinrichtungen 1019
10.6.3.3 Vermeiden von Drehschwingungen an Motorenprüfständen
und bei Aggregaten 1027
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 1030
14 Inhaltsverzeichnis
11 Triebswerkslagerung und Schmierung von Verbrennungsmotoren (Heinz Gläser) 1043
11.1 Aufgabe und Wirkungsweise von Lagerungen 1043
11.2 Arten der Lager im Verbrennungsmotor und ihre Belastung 1046
11.3 Hydrodynamische Berechnung der Radialgleitlager 1049
11.3.1 Theoretische Grundlagen 1049
11.3.1.1 Begriffsbestimmung 1049
11.3.1.2 Hydrodynamischer Druckaufbau 1049
11.3.2 Berechnung der Wellenverlagerungsbahn 1058
11.3.3 Berechnung der Reibungsleistung 1067
11.3.4 Berechnung der Öldurchsatzmenge 1073
11.3.5 Wärmebilanz 1084
11.3.6 Maximaler Schmierschichtdruck 1087
11.3.7 Umwandlung der raumfesten in körperfeste Koordinaten 1093
11.3.7.1 Grundlager 1093
11.3.7.2 Pleuellager 1094
11.3.7.3 Kolbenbolzenlager 1095
11.3.8 Winkelgeschwindigkeiten der Lager eines Kurbeltriebes 1095
11.4 Auslegung von Verbrennungsmotoren Gleitlagern 1096
11.4.1 Bedeutung und Möglichkeiten der Lagerauslegung 1096
11.4.2 Rechenprogramme zur Auslegung dynamisch beanspruchter
Radialgleiter 1100
11.4.2.1 Einfache und komplexe Rechenprogramme,
EHD und TEHD Berechnung 1100
11.4.2.2 Programminhalt und Leistungsumfang des Rechenprogramms
LAGER95 1103
11.4.3 Einflussgrößen bei der Lagerauslegung 1108
11.4.3.1 Einfluss des Betriebszustandes 1108
11.4.3.2 Einfluss des Schmierstoffes und des relativen Lagerspiels 1113
11.4.3.3 Einfluss von Ölzuführungstemperatur und Ölzuführungsdruck 1115
11.4.3.4 Art und Lage der Ölzuführung 1120
11.4.3.5 Steifigkeit von Welle, Lager und lagerumgebenden Bauteilen 1124
11.4.3.6 Einfluss der Kurbelwellengestaltung (Massenausgleich) 1126
11.4.4 Schlussfolgerungen für die Lagerauslegung aus der Anwendung
von Rechenprogrammen 1128
11.4.5 Konstruktive Gestaltung der Lagerung von Motoren 1130
11.5 Werkstoffe und Konstruktionsgrundsätze für Kfz Motoren Gleitlager 1138
11.5.1 Anforderungen, Eigenschaften und Werkstoffgruppen 1138
11.5.2 Herstellung und Bauformen dünnwandiger einbaufertiger
Lagerschalen und Buchsen 1142
11.5.3 Konstruktive Grundsätze bei der Anwendung
dünnwandiger einbaufertiger Lagerschalen 1151
11.5.3.1 Gehäusebohrung, Lagerspiel, Spreizung, Freiräumung 1151
11.5.3.2 Presssitz der Lagerschalen in der Gehäusebohrung und Lagerspiel¬
veränderung im Betriebsbereich des Motors 1152
11.6 Schmierstoffe für Kraftfahrzeugmotoren 1160
11.6.1 Aufgaben und Klassifikation der Motorenöle 1160
11.6.2 Viskosität von Ölen 1168
11.6.3 Additive 1169
11.6.4 Ölprüfung, Ölwechsel, Ölverbrauch 1171
11.7 Axiallagerung 1173
11.8 Wälzgelagertes Triebwerk 1175
11.9 Schmiersystem 1180
11.9.1 Funktion, Bestandteile und grundsätzliche Wirkungsweise 1180
11.9.2 Schmierstoffbehälter, Ansaugen und Rückführung des Öls 1182
Inhaltsverzeichnis 15
11.9.3 Schmierstoffkühlung 1182
11.9.4 Schmierstoffförderung, Versorgung der Schmierstellen 1183
11.9.5 Zweitaktmotoren Schmierung 1187
11.10 Schäden und Veränderungen an Verbrennungsmotoren Gleitlagern 1188
11.10.1 Schäden und Veränderungen am Lagermetall oder an der Drittschicht 1189
11.10.1.1 Verschleiß 1189
11.10.1.2 Verschmutzung 1194
11.10.1.3 Überhitzung 1195
11.10.1.4 Ermüdung 1196
11.10.1.5 Erosion 1198
11.10.1.6 Kavitation 1198
11.10.1.7 Tribochemische Reaktion, Korrosion 1201
11.10.1.8 Einbaufehler 1203
11.10.1.9 Fehler des Lagerherstellers 1204
11.10.2 Schäden an der Stahlstützschale 1205
11.10.2.1 Reiboxidation am Schalenrücken 1205
11.10.2.2 Stützschalenbruch 1206
11.10.2.3 Stoßflächenbeschädigung 1207
11.10.2.4 Spreizungsverlust 1207
11.10.3 Austausch von Lagern 1207
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 1208
12 Konstruktion von Verbrennungsmotoren und deren Bauteilen (Werner Hoffmann) . 1215
12.1 Zylinderkopf (Werner Hoffmann, Heiko Neukirchner) 1235
12.1.1 Aspekte der funktionell konstruktiven Gestaltung 1235
12.1.2 Werkstoffe 1247
12.1.3 Gießverfahren und Herstellung von Zylinderköpfen 1249
12.1.4 Belastungen und Beanspruchungen bei Zylinderköpfen 1252
12.1.5 Auslegung und Gestaltung der Ladungswechselkanäle 1258
12.2 Zylinder und Kurbelgehäuse (Werner Hoffmann, Heiko Neukirchner) 1277
12.2.1 Grundsätzliche Aufgaben, Funktionen und Anforderungen 1277
12.2.2 Ausführungsformen von Zylinder, Kurbelgehäuse
und Lagerung Kurbelwelle 1282
12.2.3 Einfluss der Kurbelgehäusegestaltung auf Steifigkeit, Belastbarkeit
und Deformationen 1290
12.2.4 Werkstoffe 1297
12.2.5 Gießverfahren, Gestaltungsmerkmale und Besonderheiten
von Zylinderkurbelgehäusen 1299
12.2.6 Ausgewählte konstruktive Details und Lösungen 1302
12.2.7 Entwicklung stark belastbarer massearmer Kurbelgehäuse 1327
12.3 Zylinderkopfdichtung (Werner Hoffmann, Heiko Neukirchner, Pierre Miran,
Dr. Andre Simonneau, Alain Schmitt, Jean Marc Cheriere) 1330
12.3.1 Dichtungskonzepte 1331
12.3.2 Rechnerische Auslegung einer Abdichtung mit Verschraubungen . 1340
12.4 Kolben (Uwe Mohr, Horst Schädlich) 1352
12.4.1 Aufgaben und Anforderungen 1352
12.4.1.1 Einführung und Begriffe 1352
12.4.1.2 Kolbenbelastung 1354
12.4.1.3 Kolbenbeanspruchung 1363
12.4.2 Hauptabmessungen und Gestaltung 1372
12.4.3 Werkstoffe und Herstellung 1380
12.4.3.1 Aluminiumlegierungen 1380
12.4.3.2 Gusseisenlegierungen 1382
12.4.3.3 Stähle 1382
16 Inhaltsverzeichnis
12.4.3.4 Alternative Kolbenwerkstoffe 1382
12.4.4 Kolbenaußenkontur 1382
12.4.5 Kolbenkühlung 1385
12.4.6 Kolbenringe 1388
12.4.6.1 Aufgaben und Anforderungen 1388
12.4.6.2 Funktion 1389
12.4.6.3 Klassifizierung und Ausführungsformen 1391
12.4.6.4 Bewertungskenngrößen 1393
12.4.6.5 Werkstoffe 1400
12.4.6.6 Herstellung 1401
12.4.7 Kolbenbolzen 1402
12.4.7.1 Funktion und Anforderungen 1402
12.4.7.2 Hauptabmessungen und Gestaltung 1403
12.4.7.3 Berechnung 1405
12.4.7.4 Werkstoffe und Herstellung 1413
12.4.8 Kolbenbolzensicherungen 1415
12.5 Pleuel (Werner Hoffmann) 1417
12.5.1 Aspekte der funktionell konstruktiven Gestaltung 1417
12.5.2 Ausgewählte Werkstoffe, Herstellung von Rohteilen
und fertigen Pleueln 1425
12.5.3 Auslegung von Pleuelstangen (Werner Hoffmann, Bernd Hänel) . . . 1429
12.6 Kurbelwelle (Werner Hoffmann) 1452
12.6.1 Aufgaben, Funktion und Anforderungen 1452
12.6.2 Motorspezifische Ausführungsformen 1453
12.6.3 Kurbelwellendesign Entwurf und Hauptabmessungen 1458
12.6.4 Werkstoffe und Herstellung von Kurbelwellen Rohteilen 1460
12.6.5 Bearbeitung von Kurbelwellen Rohteilen zu Fertigteilen 1463
12.6.6 Rechnerischer Dauerfestigkeitsnachweis für Kurbelwellen
(Bernd Hänel, Werner Hoffmann) 1467
12.6.6.1 Belastungen an einer Kurbelkröpfung 1467
12.6.6.2 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem Nennspannungskonzept
für die Hohlkehle zwischen Kurbelzapfen und Kurbelwange 1475
12.6.6.3 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem örtlichen Spannungskonzept
für die Hohlkehle zwischen Kurbelzapfen und Kurbelwange 1484
12.6.6.4 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem Nennspannungskonzept
für die Ölbohrung des Kurbelzapfens 1487
12.6.6.5 Dauerfestigkeitsnachweis nach dem örtlichen Spannungskonzept
für die Ölbohrung des Kurbelzapfens 1492
12.6.7 Bewertung der Auslegungskonzepte und Ergänzungen zum
Auslegungsbeispiel (Werner Hoffmann) 1495
12.6.8 Experimentelle Dauerfestigkeitserprobung 1500
Verwendete Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 1502
13 Virtuelle Produktentwicklung (Ernst Beutner, Heiko Neukirchner) 1521
13.1 Vorbemerkungen 1521
13.2 Der Produktentwicklungsprozess im Wandel 1521
13.2.1 Von technischen Berechnungen zur virtuellen Bauteilentwicklung . 1521
13.2.2 Vom hardwareorientierten zum simulationsgestützten
Entwicklungsprozess 1522
13.3 Produktbezogene Daten 1524
13.3.1 Datenmodelle 1524
13.3.2 Generierung der Produktmodelle 1526
13.3.2.1 Direkte Geometriemodellierung 1526
13.3.2.2 Reverse Engineering 1529
Inhaltsverzeichnis 17
13.3.3 Datenmanagement 1530
13.3.4 Digital Mock Up (DMU) / Virtual Reality (VR) 1532
13.4 Simulationsgestützte Bauteilentwicklung 1535
13.4.1 Allgemeines 1535
13.4.2 Methoden der Berechnung und Simulation 1535
13.4.2.1 Mehrkörpersysteme (MKS) 1537
13.4.2.2 Finite Elemente Methoden (FEM) 1538
13.4.2.3 Strömungssimulation 1540
13.4.3 Funktionsorientierte simulationsgestützte Bauteilentwicklung 1543
13.4.3.1 Grundmechanik 1543
13.4.3.2 I.adungswechsel, Arbeitsprozess 1550
13.4.3.3 Gemischbildung, Verbrennung, Abgasnachbehandlung 1553
13.4.3.4 Festigkeit, Lebensdauer 1556
13.4.3.5 Akustik 1559
13.4.3.6 Öl /Kühlmittelkreisläufe, Kraftstoffsysteme 1561
13.4.3.7 Motorsimulation 1564
13.4.4 Fertigungsorientierte simulationsgestützte Bauteilentwicklung 1565
13.4.4.1 Toleranzmanagement 1566
13.4.4.2 Gießsimulation 1567
13.4.4.3 Einbau und Montagesimulation 1569
13.5 Rapid Prototyping (RP) 1570
13.6 Wissensmanagement 1571
13.7 Infrastruktur der Informationstechnologie (IT) 1574
Verwendete Abkürzungen 1575
14 Ausblick auf künftige Motorenentwicklungen (Voikmar Küntschkr) 1579
14.1 Generelle Trends in der künftigen Antriebs und Motorenentwicklung 1579
14.2 Brennstoffzellen Fahrzeuge 1582
Verwendete Abkürzungen 1585
Literaturverzeichnis 1586
Stichwortverzeichnis 1635 |
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